CN201433490Y - 一种长方形平面超大跨度预应力空间管桁架屋盖 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种长方形平面超大跨度预应力空间管桁架屋盖，该屋盖由超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架连接组成，且屋盖平面为长边L₁与短边L₂之比L₁/L₂≥1.5的长方形矩形平面，屋盖跨度的长度为L₂且90米≤L₂≤150米，每榀超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架是以由上弦杆、下弦杆和斜腹杆连接组成的梭形空间管桁架为基本架体，基本架体的两端分别固定在一个铸钢节点上，在每个铸钢节点上还连接有上支撑杆、外侧撑杆和下支撑杆，钢索通过两个钢索转向支座支撑后分别支撑在两根上支撑杆和两根外侧撑杆上，梭形空间管桁架的中央结构高度h为L₂/18≤h≤L₂/16。本实用新型适合于建筑长边与短边之比为L₁/L₂≥1.5且跨度长度L₂为90米≤L₂≤150米的屋盖。本实用新型具有结构高度小、内力较小、用钢量少和工程造价低等优点。

Description

一种长方形平面超大跨度预应力空间管桁架屋盖

技术领域

本实用新型涉及一种长方形平面超大跨度预应力空间管桁架屋盖，属于跨度大于或等于90米、小于或等于150米的超大跨度预应力钢结构屋盖技术领域。

背景技术

随着经济建设和社会发展，大型公共建筑中的会展中心、高速铁路的候车厅、航站楼及工业建筑的飞机机库、火力发电厂的干煤棚等建筑钢结构屋盖，其跨度要求越来越大，钢网格结构(网架与网壳)规程中跨度等于60米时为大跨度，跨度超过此限值达到90米～150米的跨度时为超大跨度，对于跨度在60米左右时的建筑，现有技术一般都采用梭形空间管桁架结构，其技术经济指标较好；当跨度达到90米～150米时，如果再采用梭形空间管桁架结构，其技术经济指标将迅速下降。由于梭形空间管桁架的上弦杆受压，下弦杆受拉，则梭形空间管桁架的抗弯刚度(E_SI)主要体现在其折算惯性矩I＝A₁A₂h²/(A₁+A₂)，(式中h表示的是梭形空间管桁架中央结构高度，A₁、A₂分别表示梭形空间管桁架的上弦与下弦截面面积)，由表达式可知，梭形空间管桁架的抗弯刚度与管桁架中部结构高度平方成正比，按现有技术的刚度要求，梭形空间管桁架中部结构高度h的数值一般在h≥L₂/12范围(公式中L₂为跨度)，按此要求，当L₂＝90米时，h＝7.5米，而组成梭形空间管桁架的斜腹杆其与水平线的夹角按α≈60°时，它的长度为8.66米左右，当L₂＝150米时，h＝12.5米，其斜腹杆的长度为14.4米左右，而梭形空间管桁架的上、下弦杆的钢管截面由结构弯曲变形产生很大的压力和拉力控制，而斜腹杆钢管截面由结构剪切变形产生较小的拉、压力控制，且接近跨中斜腹杆长度大的拉、压力更小。如果当跨度L为90米时，梭形空间管桁架中的斜腹杆(压杆)按其所需强度计算，其斜腹杆的配杆仅为Φ114×4(g＝10.85kg/m，这里g表示每米钢管重量)，但按压杆长细比λ≤180的规定控制，应采用Φ152×5(g＝23kg/m)，两者相差12.15kg/m；当跨度为150米时，斜腹杆强度控制值需Φ127×4.5(g＝17.32kg/m)，而按长细比的规定控制，则斜腹杆需配制Φ245×6.5(g＝38.23kg/m)，两者相差21kg/m。一般梭形空间管桁架要确保满足变形要求，其结构高度h≥L₂/12的范围，当跨度达90m～150m时，为确保结构刚度要求，其结构高度将猛增(h＝7.5米～15.5米)，从而导致梭形空间管桁架的中间斜腹杆长度更长，达8.66米～14.4米，而此处内力很小，按长细比构造要求也将使斜腹杆用钢量猛增。另外，由于梭形空间管桁架的结构高度过大，导致室内空间高度更大，对建筑节能极为不利。因此，现有的梭形空间管桁架结构在用于超大跨度的建筑时还是不够理想。在确保结构刚度和强度的条件下，降低结构高度，减少用钢量，是结构工程师开拓新型结构体系的主要思路。

在本世纪初、上世纪末出现的国外引进技术，即张弦梁(B.S.S)及张弦桁架(T.S.S)在国内多个大型公共建筑屋盖中出现，如上海浦东国际机场航站楼(跨度为82.6米)采用张弦梁；广州国际会展中心(跨度为126.5米)采用张弦桁架。实践证明此类自平衡结构体系不仅结构高度达到其跨度长度L₂的(1/10～1/8)L₂，而且施工成型难度大，用钢量大，在沿海地区，屋面风吸力克服结构自重后，钢索松弛造成结构体系改变(梁式改变为拱式)，为此还需配重来确保结构安全，进一步增大用钢量。

在中国专利文献上曾公开了发明名称和申请号分别为“一种短撑杆式张弦桁架及其制作方法”、200410155399.7和“大跨度张弦桁架及其制作方法”、200410022224.9的两个技术方案，这两个技术方案都是预应力空间管桁架，前者是在空间管桁架弧形下弦杆节点下布置若干个短撑杆，后者是在弧形下弦杆节点上部设短拉杆或将钢索直接穿入下弦钢管中心建立预应力，钢索与管桁架形成自平衡体系，由于钢索与水平线形成的夹角α极小，撑杆或拉杆对管桁架向上作用的弹性反力很小，如设钢索预应力为P，则钢索向上作用节点力P_Z＝Psinα，夹角α越小，P_Z亦小。靠加大钢索截面提高预应力P值来提高P_Z值，其经济性不好，且对结构刚度贡献小。因此，此两类预应力空间管桁架结构高度仍需按一般梭形空间管桁架的结构高度h≥L₂/12来进行取值(公式中h为结构高度、L₂为跨度长度)，如果低于该值，则结构的刚度和强度将达不到使用的要求。因此当用于超大跨度的建筑结构时，该两项技术方案仍然存在着类似于一般空间管桁架结构的缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的是：提供一种占据的空间高度较低、用钢量较少、并且结构性能可靠、制作容易、成本低的长方形平面超大跨度预应力空间管桁架屋盖，以克服现有技术的不足。

本实用新型是这样实现的：本实用新型的一种长方形平面超大跨度预应力空间管桁架屋盖为，该屋盖由超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架连接组成，且屋盖平面为长边L₁与短边L₂之比L₁/L₂≥1.5的长方形矩形平面，屋盖跨度的长度为L₂且90米≤L₂≤150米，每榀超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架是以由上弦杆、下弦杆和斜腹杆连接组成的梭形空间管桁架为基本架体，并且作为基本架体的梭形空间管桁架两端的上弦杆和下弦杆的端部都分别固定在一个铸钢节点上，在每个铸钢节点上还连接有上支撑杆、外侧撑杆和与铰接支座连接的下支撑杆，在作为基本架体的梭形空间管桁架的下弦杆上对称固定有两个钢索转向支座，钢索通过两个钢索转向支座支撑后分别支撑在两根上支撑杆和两根外侧撑杆上，并且钢索的两端分别连接在铰接支座上，在钢索上设有钢索收紧装置，每榀超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架通过其两端的铸钢节点之间连接的连系杆相互连接；连接在作为基本架体的梭形空间管桁架两端的铸钢节点之间的中心距离为超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架的跨度距离L₂，梭形空间管桁架的中央结构高度h为L₂/18≤h≤L₂/16。

在上述支撑钢索的钢索转向支座上、以及在上支撑杆和外侧撑杆的端部处都设有定向滑轮。

在上支撑杆的上端与梭形空间管桁架之间连接有上加强杆，在铰接支座与梭形空间管桁架之间还连接有下加强杆。

每个铸钢节点由两根上弦连接杆、一根下弦连接杆、一根上支撑连接杆、一根下支撑连接杆、一根外侧连接柱和两根系杆连接杆浇铸在同一节点上成为一整体；上支撑连接杆与下支撑连接杆设在节点竖立垂直方向并在同一轴心线上分别与上支撑杆和下支撑杆连接，上弦连接柱和下弦连接柱设在节点的一侧并分别与上弦杆和下弦杆连接，外侧连接杆设在与下弦连接杆相反的一侧并与下弦连接杆在同一轴心线上且与外侧撑杆连接，系杆连接杆分别与连系杆连接。

在作为基本架体的梭形空间管桁架的下弦杆上对称固定的两个钢索转向支座的中心分别与其所靠近的铸钢节点中心的中心距离L为L＝(1/4～1/3)L₂。

由于采用了上述技术方案，本实用新型将超大跨度的梭形空间管桁架的中部结构高度由原来的h＝(1/12～1/10)L₂变小为h＝(1/18～1/16)L₂，如当L₂＝90米时，其中部的斜腹杆长由原来的8.66米变成了5.77米，减少2.89米的长度，若原来的结构高度h＝7.5米(这里取h＝L₂/12)则改为h＝5米(这里取h＝L₂/18)，因此本实用新型的结构高度比现有技术要降低25％～30％；当本实用新型的结构高度下降后造成梭形空间管桁架的抗弯刚度下降时，本实用新型所采用的补偿办法是：使斜拉钢索与水平线的夹角α加大，使梭形空间管桁架跨度中部的下弦杆节点处产生与荷载作用反向的节点力，从而使桁架产生反变形，并使桁架各杆产生与荷载作用相反的内力，从而在结构“使用状态”时结构变形减小的同时内力相应减小。因而本实用新型在达到超大跨度，并在降低结构高度的同时能确保结构竖向挠度不超过国家规程的限制值FL₂≤1/300的要求(这里F示结构挠度、L₂表示跨度)，并且由于本实用新型的桁架内力减小，结构高度降低，斜腹杆的长度减少，从而大大的降低了用钢量。所以，本实用新型与现有技术相比，本实用新型不仅具有占据的空间高度低、用钢量少的优点，而且还具有结构性能可靠、制作施工容易、成本低等优点。

附图说明

图1为本实用新型屋盖的长方形平面结构示意图；

图2为本实用新型屋盖所采用的超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架结构示意图；

图3为图2的俯视结构示意图；

图4为本实用新型的铸钢节点的侧视结构示意图；

图5为图4的俯视示意图；

图6为本实用新型的上支撑杆端部支撑钢索时的示意图；

图7为本实用新型的外侧撑杆支撑钢索时的示意图；

图8为本实用新型的钢索转向支座与下弦杆连接时的结构示意图；

图9为本实用新型的钢索端与铰接支座连接时的结构示意图；

图10为本实用新型的超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架在成型态时各杆件拉、压力分布示意图；

图11为本实用新型的超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架在荷载态时的各杆件拉、压力分布示意图；

图12为本实用新型的超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架在使用态时两种状态内力叠加、各杆件拉、压力分布示意。

具体实施方式

本实用新型的实施例：制作本实用新型的一种长方形平面超大跨度预应力空间管桁架屋盖时，该屋盖由超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架连接组成，且屋盖平面为长边L₁与短边L₂之比L₁/L₂≥1.5的长方形矩形平面，屋盖跨度长度L₂为90米≤L₂≤150米(如图1所示)，每榀超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架是以由上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3连接组成的梭形空间管桁架为基本架体，将该梭形空间管桁架的中央结构高度h制作为L₂/18≤h≤L₂/16；将作为基本架体的梭形空间管桁架两端的上弦杆1和下弦杆2的端部都分别固定在一个铸钢节点上，铸钢节点由两根上弦连接杆a、一根下弦连接杆b、一根上支撑连接杆c、一根下支撑连接杆d、一根外侧连接杆e和两根系杆连接杆f浇铸为整体结构；将铸钢节点的上支撑连接杆c与下支撑连接杆d设在节点垂直方向并在同一轴心线上，并将上支撑杆4和下支撑杆13分别与上支撑连接杆c和下支撑连接杆d焊接，将上弦连接杆a和下弦连接杆b分别与上弦杆1和下弦杆2焊接，将外侧连接杆e设在与下弦连接杆b相反的一侧并与下弦连接柱b设在同一轴心线上，将外侧撑杆6与外侧连接杆e焊接(如图4、图5所示)；在作为基本架体的梭形空间管桁架的下弦杆2上对称固定有两个钢索转向支座7(如图8所示)，并使两个钢索转向支座7的中心分别与其所靠近的铸钢节点中心的中心距离L控制在L＝(1/4～1/3)L₂的范围，L₂为两个铸钢节点的中心距离，即跨度；为了调节和张紧钢索方便，在支撑钢索8的钢索转向支座7与上支撑杆4和外侧撑杆6的支点端部都安装上定向滑轮10；将钢索8通过两个钢索转向支座7上的定向滑轮10后分别支撑在两根上支撑杆4和两根外侧撑杆6的定向滑轮10上，并将钢索8的两端分别固定在两端的铰接支座5上(铰接支座5可采用传统的铰接支座结构)，在钢索8上安装上钢索收紧装置9(钢索收紧装置9可采用现有技术中常用的钢索收紧装置成品)；为了增强上支撑杆4和下支撑杆13的强度，在上支撑杆4的上端与梭形空间管桁架之间连接分别连接上上加强支杆11，在两端的铰接支座5与梭形空间管桁架之间分别连接上下加强支杆12；然后通过钢索收紧装置9对钢索8进行收紧，使其成为具有张力的预应力钢索(在进行钢索收紧时，可按中国工程建设标准化协会制定的《预应力钢结构技术规程》的要求进行施工)，这样即可制作得到本实用新型的超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架(如图2和图3所示)；然后将每榀超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架两端的铸钢节点的系杆连接杆f之间都焊接一根连系杆14，使每榀超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架相互连接为一个整体，这样即制作得到本实用新型的长方形平面超大跨度预应力空间管桁架屋盖。

在制作屋盖平面为长方形的矩形平面且其长边L₁与短边L₂之比为L₁/L₂≥1.5并且L₂为屋盖跨度且为90米≤L₂≤150米的屋盖时，本实用新型采用的制作方法是采用超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架作为该屋盖结构，该超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架是以常规梭形空间管桁架的结构为基本架体，并在每榀梭形空间管桁架两端的支座上分别设置用于支撑钢索的支撑杆，将梭形空间管桁架中央的结构高度h制作为L₂/18≤h≤L₂/16，并在梭形空间管桁架上分别距离两端的支座中心线(1/4～1/3)L₂处的下弦杆上对称位置设置两个钢索转向支座，将钢索通过两个钢索转向支座支撑后再分别支撑在支座位置上的两根支撑杆上，形成从支撑杆到钢索转向支座之间的这段钢索为斜拉式的钢索，然后对钢索收紧使其成为具有张力的预应力钢索，同时使固定在梭形空间管桁架下弦杆处的两个钢索转向支座点在钢索的张力作用下产生由下向上作用的两个与荷载作用方向相反的弹性反作用力，这样即可补偿因结构高度降低所造成的刚度不足，从而制作得到结构用钢量少的长方形平面超大跨度预应力空间管桁架屋盖。

本实用新型的长方形平面超大跨度预应力空间管桁架屋盖中的超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架结构的工作状态必然出现两个最基本状态，即桁架建立预应力的工作状态(成型态)和桁架安装形成为屋盖后，承受结构自重和屋面各种设计的节点荷载的工作状态(荷载态)，这两种工作状态的变形与内力叠加，即形成屋架在使用荷载作用下桁架的变形和内力。即桁架正常使用时桁架的变形和内力是结构设计时对结构构造和配杆的设计依据。分两个阶段予以说明：

“结构成型态”：如将本实用新型的跨度L₂设计为90米时(如图10所示)，若不采用预应力，而为一般的空间管桁架，其中央结构高度h＝L₂/12＝7.5米，其中央斜腹杆的长度为8.949米；当采用本实用新型时，中央结构高度h＝L₂/16＝5.625米，中央斜腹杆的长度为6.495米，减少2.454米。中央斜腹杆按长细比要求配杆时，前者配杆φ159×4.5(g＝17.15kg/m)后者配杆φ102×3.5(g＝8.5kg/m)，每根杆用钢下降98kg。预应力钢索采用每束125×Φ5，拉力4050KN/每束，安全度K＝2，最大拉力2025KN/每束，预张拉力扣除预应力损失后p_i＝0.35p＝0.35×2025＝720KN(公式中p为钢索能承受的极限张力)。斜索与水平索夹角α＝tan^-1(5500/2700)＝11.3°，结构在自平衡状态钢索对空间管桁架0.3L₂处有向上作用力p_zl＝720×sin11.3°＝720×0.196＝141KN/每个，即结构在成型态在离两边支座0.3L₂处有两个141KN的向上作用力，它将使桁架产生与荷载相反的变形(向上产生挠度)和相反的杆件内力(拉压力)，如图10中上弦杆拉力(用

表示拉力)下弦杆压力(用

表示压力)和斜腹杆拉、压力()，与此同时，两外侧受压撑杆对下弦杆还要产生预应力(

)，即“成型态”桁架下弦杆产生两个预压力(

)其内力中拉、压力分布如图10所示。

“结构荷载态”，当将本实用新型的超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架安装就位形成屋盖后，其上弦节点承受向下的作用荷载，必然产生向下的垂直变形即向下产生竖向挠度f₂，与此同时，空间桁架受向下作用的节点荷载后，各杆件必然产生对应其变形的杆件内力(拉力或压力)，即空间桁架各杆件产生的内力(拉、压力)，正好与“结构成型态”桁架各杆件内力符号相反，其受力如图11所示，上弦均为压力()，下弦均为拉力(

)，斜腹杆拉力与压力()，大多数与结构成形态产生的拉、压力反号。

“结构使用态”，当本实用新型的屋盖在正常使用时，其工作状态的结构变形与内力相当于“结构成型态”与“结构荷载态”的变形与内力分别进行叠加，如图12所示，上弦杆压力

为图10拉力与图11压力

叠加后使压力值

减小。下弦杆及斜腹杆均产生于上弦杆相同的效应枛使结构内力减小。使用态的结构变形(挠度)，即是成型态与荷载态两种状态结构变形的叠加，即正常工作状态结构跨中最大挠度f_扰＝f₂-f₁，即相对挠度也相应减少。所以当建筑长短边之比L₁/L₂≥1.5的矩形平面的超大跨度(90米≤L₂≤150米)屋盖采用本实用新型时，就能达到结构高度小、桁架内力小、用钢量减少和降低工程造价的目的。

Claims (5)

1.一种长方形平面超大跨度预应力空间管桁架屋盖，其特征在于：该屋盖由超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架连接组成，且屋盖平面为长边L1与短边L2之比L1/L2≥1.5的长方形矩形平面，屋盖跨度的长度为L2且90米≤L2≤150米，每榀超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架是以由上弦杆(1)、下弦杆(2)和斜腹杆(3)连接组成的梭形空间管桁架为基本架体，并且作为基本架体的梭形空间管桁架两端的上弦杆(1)和下弦杆(2)的端部都分别固定在一个铸钢节点上，在每个铸钢节点上还连接有上支撑杆(4)、外侧撑杆(6)和与铰接支座(5)连接的下支撑杆(13)，在作为基本架体的梭形空间管桁架的下弦杆(2)上对称固定有两个钢索转向支座(7)，钢索(8)通过两个钢索转向支座(7)支撑后分别支撑在两根上支撑杆(4)和两根外侧撑杆(6)上，并且钢索(8)的两端分别连接在铰接支座(5)上，在钢索(8)上设有钢索收紧装置(9)，每榀超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架通过其两端的铸钢节点之间连接的连系杆(14)相互连接；连接在作为基本架体的梭形空间管桁架两端的铸钢节点之间的中心距离为超大跨度支座撑杆式斜拉自平衡空间管桁架的跨度距离L2，梭形空间管桁架的中央结构高度h为L2/18≤h≤L2/16。

2.根据权利要求1所述的长方形平面超大跨度预应力空间管桁架屋盖，其特征在于：在支撑钢索(8)的钢索转向支座(7)上、以及在上支撑杆(4)和外侧撑杆(6)的端部处都设有定向滑轮(10)。

3.根据权利要求1所述的长方形平面超大跨度预应力空间管桁架屋盖，其特征在于：在上支撑杆(4)的上端与梭形空间管桁架之间连接有上加强杆(11)，在铰接支座(5)与梭形空间管桁架之间还连接有下加强杆(12)。

4.根据权利要求1所述的长方形平面超大跨度预应力空间管桁架屋盖，其特征在于：铸钢节点由两根上弦连接杆(a)、一根下弦连接杆(b)、一根上支撑连接杆(c)、一根下支撑连接杆(d)、一根外侧连接柱(e)和两根系杆连接杆(f)浇铸在同一节点上成为一整体；上支撑连接杆(c)与下支撑连接杆(d)设在节点竖立垂直方向并在同一轴心线上分别与上支撑杆(4)和下支撑杆(13)连接，上弦连接柱(a)和下弦连接柱(b)设在节点的一侧并分别与上弦杆(1)和下弦杆(2)连接，外侧连接杆(e)设在与下弦连接杆(b)相反的一侧并与下弦连接杆(b)在同一轴心线上且与外侧撑杆(6)连接，系杆连接杆(f)分别与连系杆(14)连接。

5.根据权利要求1所述的长方形平面超大跨度预应力空间管桁架屋盖，其特征在于：在作为基本架体的梭形空间管桁架的下弦杆(2)上对称固定的两个钢索转向支座(7)的中心分别与其所靠近的铸钢节点中心的中心距离L为L＝(1/4～1/3)L2。

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